Genes & CellsGenes & CellsГены и КлеткиGenes and Cells2313-18292500-2562Human Stem Cells Institute12169510.23868/gc121695ArticlesСтатьиApplication of electroanalytical techniques for assessment of human cellsПрименение электроаналитических методовдля характеристики клеток человекаSaifullinaD VСайфуллинаД В

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan«Biomedtech KFU» Ltd, Kazan

Казанский (Приволжский) федеральный университет, КазаньООО «Биомедтех КФУ», Казань

ShakhmaevaI IШахмаеваИ И

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan«Biomedtech KFU» Ltd, Kazan

Казанский (Приволжский) федеральный университет, КазаньООО «Биомедтех КФУ», Казань

BondarO VБондарьО В

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan«Biomedtech KFU» Ltd, Kazan

Казанский (Приволжский) федеральный университет, КазаньООО «Биомедтех КФУ», Казань

AbdullinT IАбдуллинТ И

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan«Biomedtech KFU» Ltd, Kazan

Казанский (Приволжский) федеральный университет, КазаньООО «Биомедтех КФУ», Казань

Kazan (Volga Region) Federal University, Kazan«Biomedtech KFU» Ltd, KazanКазанский (Приволжский) федеральный университет, КазаньООО «Биомедтех КФУ», Казань1503201271NO1 (2012)№1 (2012)869111012023Copyright ©; 2012, Eco-VectorCopyright ©; 2012, Эко-Вектор2012Eco-VectorЭко-Векторhttps://genescells.ru/2313-1829/article/view/121695

Rapid development of cell technologies stipulates the need for informative and express methods for the analysis of viability and physiological activity of human cells. We studied analytical possibilities of novel tools for comprehensive characterization of bioelectrochemical properties of living cells, e.g. surface charge of cellular membrane and redox activity of metabolites. Using Malvern Zetasizer dynamic light scattering analyzer we proposed an approach to assessment of zeta potential of human cells and detection of phosphatidylserine on their surface as an early apoptotic marker. On the basis of modified electrodes we designed sensors exhibiting high sensitivity towards electroactive cellular metabolites including antioxidants and macroergic molecules. The sensors were applied for assessment of metabolic activity/energetic status of human cells (blood cells and cell cultures). Electrochemical signal of adenine nucleotides of cells on sensor surface correlated with intracellular level of ATP according to luciferase assay and was found to be more sensitive to alteration in cell viability than conventional MTS test. On the basis of disposable screenprinted electrodes we fabricated a prototype of portable analyzer for rapid analysis of cell health (e.g. for donor cells) in less than 5 ƒl volume of cell sample. Proposed tools and methods are of interest in cell transplantology, basic research and cell-based medical diagnostics.

Бурное развитие клеточных технологий обусловливает востребованность информативных и экспрессных методов оценки жизнеспособности и физиологической активности клеток человека. В работе исследованы возможности новых инструментов для комплексного анализа биоэлектрохими- ческих свойств клеток: поверхностного заряда клеточной мембраны и окислительно-восстановительной активности метаболитов. С применением анализатора динамического светорассеяния Malvern Zetasizer (Malvern Instruments) предложен подход к характеристике дзета-потенциала клеток человека и выявления на их поверхности фосфа- тидилсерина - раннего маркера апоптоза. На основе мо- дифицированных электродов разработаны сенсоры, обла- дающие высокой чувствительностью к электроактивным метаболитам клеток: антиоксидантам и макроэргическим молекулам. Сенсоры применены для оценки метаболиче- ской активности/энергетического статуса клеток человека. Электрохимический сигнал адениновых нуклеотидов клеток на поверхности сенсора коррелирует с внутриклеточным содержанием АТФ по данным люциферазного метода и более чувствителен к изменению жизнеспособности кле- ток, чем метаболический MTS-тест. Разработан прототип портативного анализатора на основе печатного электрода, предназначенный для экспресс-оценки состояния клеток в суспензии, в том числе, различных донорских клеток, в объеме пробы менее 5 мкл. Предложенные инструменты и методы актуальны для трансплантации клеток, фундамен- тальных исследований и медицинской диагностики.

Barry F.P., Murphy J.M. Mesenchymal stem cells: clinical applications and biological characterization. Int. J. Biochem. Cell. Biol. 2004; 36(4): 568-84.Laughlin M.J., Eapen M., Rubinstein P. et al. Outcomes after transplantation of cord blood or bone marrow from unrelated donors in adults with leukemia. N. Engl. J. Med. 2004; 351(22): 2265-75.Schiffer C.A., Anderson K.C., Bennett C.L. et al. Platelet transfusion for patients with cancer: clinical practice guidelines of the American Society of Clinical Oncology. J. Clin. Oncol. 2001; 19(5): 1519-38.Исламов Р.Р., Ризванов А.А., Гусев Д.С. и др. Генная и клеточная терапия нейродегенеративных заболеваний. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2007; 2(3): 29-37.Balsam L.B., Wagers A.J., Christensen J.L. et al. Haematopoietic stem cells adopt mature haematopoietic fates in ischaemic myocardium. Nature 2004; 428(6983): 668-73.Silva G.V., Litovsky S., Assad J.A.R. et al. Mesenchymal stem cells differentiate into an endothelial phenotype, enhance vascular density, and improve heart function in canine chronic ischemia model. Circulation 2005; 111(2): 150-6.Смолянинов А.Б., Пыхтин Е.В., Булгин Д.В. и др. Клеточные технологии в лечении терминальной стадии хронической ишемии нижних конечностей. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2007; 2(3): 40-6.Kizilel S., Garfinkel M., Opara E. The bioartificial pancreas: progress and challenges. Diabetes Technol. Ther. 2005; 7(6): 968-85.Houlihan D.D., Newsome P.N. Critical review of clinical trials of bone marrow stem cells in liver disease. Gastroenterology 2008; 135(2): 438-50.Киясов А.П., Одинцова А.Х., Гумерова А.А. и др. Транс- плантация аутогенных гемопоэтических стволовых клеток больным хроническими гепатитами. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия 2008; 3(1): 70-5.Woodley D.T., Remington J., Huang Y. et al. Intravenously injected human fibroblasts home to skin wounds, deliver type VII collagen, and promote wound healing. Mol. Ther. 2007; 15(3): 628-35.Koizumi N., Inatomi T., Suzuki T. et al. Cultivated corneal epithelial stem cell transplantation in ocular surface disorders. Ophthalmology 2001; 108(9): 1569-74.Yang H., Acker J., Chen A. et al. In situ assessment of cell viability. Cell Transplant. 1998; 7(5): 443-51.Bravo D., Rigley T.H., Gibran N. et al. Effect of storage and preservation methods on viability in transplantable human skin allografts. Burns 2000; 26(4): 367-78.Ichii H., Inverardi L., Pileggi A. et al. A novel method for the assessment of cellular composition and beta-cell viability in human islet preparations. Am. J. Transplant. 2005; 5(7): 1635-45.Stephens D.J., Allan V.J. Light microscopy techniques for live cell imaging. Science 2003; 300(5616): 82-6.Owens M.A., Vall H.G., Hurley A.A. et al. Validation and quality control of immunophenotyping in clinical flow cytometry. J. Immunol. Methods. 2000; 243(1-2): 33-50.Spegel C., Heiskanen A., Skjolding L.H.D. et al. Chip based electroanalytical systems for cell analysis. Electroanalysis 2008; 20(6): 680-702.Jacobs C.B., Peairs M.J., Venton B.J. Review: Carbon nanotube based electrochemical sensors for biomolecules. Anal. Chim. Acta. 2010; 662(2): 105-27.Stoltz J.F. Electrochemical properties of platelets: clinical and pharmacological applications. Ann. NY Acad. Sci. 1983; 416(1): 720-41.Fernie A.R., Trethewey R.N., Krotzky A.J. et al. Metabolite profiling: from diagnostics to systems biology. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2004; 5(9): 763-9.Абдуллин Т.И., Никитина И.И., Ишмухаметова Д.Г. и др. Электроды, модифицированные углеродными нанотрубками, для электрохимических ДНК-сенсоров. Журн. аналит. химии. 2007; 62(6): 667-71.Абдуллин Т.И., Бондарь О.В., Ризванов А.А. и др. Биосенсоры на основе углеродных нанотрубок для характеристики структуры ДНК. Прикл. Биохим. Микробиол. 2009; 45(2): 252-6.Shakhmaeva I.I., Saifullina D.V., Sattarova L.I. et al. Electrochemical sensor for blood deoxyribonucleases: design and application to diagnostics of autoimmune thyroiditis. Anal. Bioanal. Chem. 2011; 401(8): 2591-7.Сайфуллина Д.В., Шахмаева И.И., Абдуллин Т.И. Способ оценки метаболической активности клеток и устройство для его осуществления. Заявка на патент РФ №2011118802.Kanof M.E., Smith P.D., Zola H. Isolation of whole mononuclear cells from peripheral blood and cord blood. In Current Protocols in Immunology. John Wiley & Sons, Inc.; 2001Korohoda W., Wilk A. Cell electrophoresis - a method for cell separation and research into cell surface properties. Cell. Mol. Biol. Lett. 2008; 13(2): 312-26.Kuo Y.-C., Shih K.-H., Yang J.-T. Capillary electrophoresis of bone marrow stromal cells with uptake of heparin-functionalized poly(lactide-co-glycolide) nanoparticles during differentiation towards neurons. Electrophoresis 2010; 31(2): 315-23.Carmona-Ribeiro A.M., Ortis F., Schumacher R.I. et al. Interactions between cationic vesicles and cultured mammalian cells. Langmuir. 1997; 13(8): 2215-18.Kuo Y.-C., Lin T.-W. Electrophoretic mobility, zeta potential, and fixed charge density of bovine knee chondrocytes, methyl methacrylate, sulfopropyl methacrylate, polybutylcyanoacrylate, and solid lipid nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 2006; 110(5): 2202-8. 31. Zeta potential: An introduction in 30 minutes (Technical note). Malvern Instruments. MRK654-01.Marchesi V.T., Tillack T.W., Jackson R.L. et al. Chemical characterization and surface orientation of the major glycoprotein of the human erythrocyte membrane. PNAS USA 1972; 69(6): 1445-9.Koopman G., Reutelingsperger C.P., Kuijten G.A. et al. Annexin V for flow cytometric detection of phosphatidylserine expression on B cells undergoing apoptosis. Blood 1994; 84(5): 1415-20.Vermes I., Haanen C., Steffens-Nakken H. et al. A novel assay for apoptosis. Flow cytometric detection of phosphatidylserine expression on early apoptotic cells using fluorescein labelled Annexin V. J. Immunol. Methods. 1995; 184(1): 39-51.Sundelacruz S., Levin M., Kaplan D.L. Role of membrane potential in the regulation of cell proliferation and differentiation. Stem Cell Rev. 2009; 5(3): 231-46.Meucci E., Mele M.C. Amino acids and plasma antioxidant capacity. Amino Acids. 1997; 12(3): 373-7.Kirsch M., De Groot H. NAD(P)H, a directly operating antioxidant? Faseb J. 2001; 15(9): 1569-74.Fernandes R.S., Cotter T.G. Apoptosis or necrosis: intracellular levels of glutathione influence mode of cell death. Biochem. Pharmacol. 1994; 48(4): 675-81.Petty R.D., Sutherland L.A., Hunter E.M. et al. Comparison of MTT and ATP-based assays for the measurement of viable cell number. J. Biolumin. Chemilumin. 1995; 10(1): 29-34.Richter C., Schweizer M., Cossarizza A. et al. Control of apoptosis by the cellular ATP level. FEBS Lett. 1996; 378(2): 107-10.Lelli J.L., Becks L.L., Dabrowska M.I. et al. ATP converts necrosis to apoptosis in oxidant-injured endothelial cells. Free Radic. Biol. Med. 1998; 25(6): 694-702.Buja L.M., Entman M.L. Modes of myocardial cell injury and cell death in ischemic heart disease. Circulation 1998; 98(14): 1355-7.Wang C., Chan S.Y., Ng M. et al. Diagnostic value of sperm function tests and routine semen analyses in fertile and infertile men. J. Androl. 1988; 9(6): 384-9.Gewirtz D.A. A critical evaluation of the mechanisms of action proposed for the antitumor effects of the anthracycline antibiotics adriamycin and daunorubicin. Biochem. Pharmacol. 1999; 57(7): 727-41.Albareda-Sirvent M., Merkoci A., Alegret S. Configurations used in the design of screen-printed enzymatic biosensors. A review. Sens. Actuators. 2000; 69(1-2): 153-63.